DE10305093A1 - Method and device for determining and monitoring contamination states of different liquids - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a method for determining and/or monitoring impurity states in different fluids by using crystalline inorganic semi-conductor diodes (LED) emitting a white light and injection light-emitting diodes emitting at least one infrared radiation (IRED) and/or ultra violet radiation (UVED). Said method uses, in particular, the modification of the emission spectrum of the white LED. Variations in the peak wave lengths, in the ratios of the peaks of the light-emitting injection in relation to the peak of the photoluminescence, in selective absorptions, in excitations on the fluorescence, in intensities of the peak wave lengths and in integral emissions are used in addition to comparison of data to the modified spectrum of the infrared emitter and/or the UV emitter. Said variations are registered with the help of a fibre optic compact spectrometer or a similar receiver. Said method is automatically calibrated if the ratio of the injection luminescence to the photoluminescence of the white LED for similar flowing current densities represents a diode specific constant. Exceptionally reliable economical sensors are produced and constructed in a fast manner according to said method and can be used in many methods associated with fluids, for example, in cleaning processes and chemical technology.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur in-situ-Bestimmung und Überwachung von Verunreinigungszuständen von Flüssigkeiten und/oder bzw. zusätzlich zur Kontrolle von Flüssigkeitspegeln, das die Modifikationen des Emissionsspektrums einer weißen Lichtemitterdiode bei der Durchstrahlung von Flüssigkeiten insbesondere bei in ihnen vorhandenen Verunreinigungen im Vergleich mit den Spektren einer IRED bzw. einer UVED nachweist und für die Bestimmung von Konzentrationsveränderungen von Verunreinigungen und von Veränderungen der Verunreinigungsarten in Flüssigkeiten sowie Variationen der Flüssigkeitsniveaus in Steigrohren oder in einem Bypass geeignet ist.The invention relates to a method for in-situ determination and monitoring of contamination states of liquids and / or or additionally to control liquid levels, this is the modification of the emission spectrum of a white light emitting diode when radiating liquids especially in comparison with the impurities present in them with the spectra of an IRED or a UVED and for the determination of changes in concentration of impurities and changes the types of contamination in liquids as well as variations in fluid levels in risers or in a bypass.

Mit der Entwicklung von Lichtemitterdioden (LED) auf der Basis eines GaInN-Chips war es erstmals möglich, effiziente, blaues Licht emittierende Dioden herzustellen, was Anfang der 90er Jahre durch Nakamura in der japanischen Firma NICHIA demonstriert wurde [1]. Auf der Basis dieser Entwicklung war es nun möglich, die relativ alte Idee der Anregung von Phosphoreszenzschichten auf dem pn-Übergang zu realisieren, die schon in den 70er Jahren für den umgekehrten Vorgang der mehrstufigen Wandlung von infraroter Strahlung durch Luminophore auf pn-Übergängen von GaAs-Dioden sichtbares Licht zu erzeugen, was aber mit sehr kleinen äußeren Quantenausbeuten verbunden war, da es sich um einen Anti-Stokes-Prozess handelte.With the development of light emitting diodes (LED) based on a GaInN chip made it possible for the first time to create efficient, to produce blue light emitting diodes, which was in the early 90s Years demonstrated by Nakamura in the Japanese company NICHIA was [1]. Based on this development it was now possible to relatively old idea of excitation of phosphorescent layers on the pn junction to realize that in the 70s for the reverse process of multi-stage conversion of infrared radiation by luminophores on pn junctions from GaAs diodes produce visible light, but with very small external quantum yields was connected because it was an anti-Stokes process.

Eine solche Diode, die sowohl das blaue Licht der Injektionslumineszenz als auch ein breites Photolumineszenzspektrum nutzt, das durch eine Anregung eines gewissen Anteils des blauen und folglich kurzwelligeren Lichtes erzeugt wird, wurde sowohl von Nakamura in der Firma NICHIA [1] als auch von Mitarbeitern des Freiburger Fraunhofer Instituts [2] vorgeschlagen. Entsprechende Patente zu weißen LED liegen vor [3], [4].Such a diode that both blue light of the injection luminescence as well as a broad photoluminescence spectrum uses that by stimulating a certain proportion of the blue and consequently shorter-wave light is generated by both Nakamura in the company NICHIA [1] as well as employees of the Freiburg Fraunhofer Institute [2] proposed. Corresponding patents too white LEDs are available [3], [4].

Inzwischen haben solche LED ein hohes Fertigungsniveau erreicht und werden in sehr hohen Stückzahlen von mehreren Herstellern vertrieben (NICHIA, GOSEY, OSRAM, AGILENT et al.). Solche LED besitzen die Eigenschaften schon seit langem gefertigter LED, d. h., sie weisen eine sehr hohe Einsatzlebensdauer auf (bis über 100.000 h), sind bis in den niedrigen Mikrosekundenbereich auch bei hohen Flussströmen ansteuerbar (Modulation bis in den hohen MHz-Bereich auch bei großen Flussströmem möglich), zeigen eine direkte Proportionalität zwischen Flussstromdichte und Anzahl der emittierten Photonen über mehrere Größenordnungen des Flussstroms, ermöglichen eine gute Einkopplung der Strahlung in Lichtwellenleiter (LWL) und sind sehr kostengünstig zu erwerben.Meanwhile, such LEDs have a high Production level reached and are in very large numbers distributed by several manufacturers (NICHIA, GOSEY, OSRAM, AGILENT et al.). Such LEDs have had the properties for a long time manufactured LED, d. that is, they have a very long service life on (to over 100,000 h) are also in the low microsecond range at high river currents controllable (modulation up to the high MHz range possible even with large river currents), show a direct proportionality between flux current density and number of emitted photons over several orders of magnitude of the river current a good coupling of the radiation into optical fibers (LWL) and are very inexpensive to acquire.

Die zur Nutzung heranziehbare, infrarote Strahlung emittierende Lumineszenzdiode auf der Basis von GaAlAs sollte eine Peakwellenlänge zwischen 800 und 900 nm aufweisen. Besondere Ansprüche bis auf einen kleinen Abstrahlwinkel werden nicht gestellt. Eine weitere verwendbare Emitterdiode mit einer Peakwellenlänge um 370 nm kann herangezogen werden, wenn Aussagen zur Lichtstreuung berücksichtigt werden sollen. Daher wird bei der vorliegenden Erfindung auf eine GaInN-UVED zurückgegriffen, da gegenwärtig keine anderen UV-Emitter auf der Basis von pn-Übergängen in Halbleitern zur Verfügung stehen. Der Vorteil einer solchen UVED besteht zum einen darin, dass herkömmliche Bypass- und Steigrohrmaterialien wie beispielsweise Glas oder Plastik um 370 nm gerade noch genügend transparent sind und zum anderen darin, dass ein Vergleich mit der oft verwendeten Hg-Linie bei 365 nm möglich wird.The infrared that can be used Radiation-emitting luminescent diode based on GaAlAs should be a peak wavelength have between 800 and 900 nm. Special claims up to a small beam angle is not set. Another usable emitter diodes with a peak wavelength around 370 nm can be used if statements on light scattering should be taken into account. Therefore a GaInN-UVED is used in the present invention, there at present no other UV emitters based on pn junctions in Semiconductors stand. The advantage of such a UVED is on the one hand that conventional Bypass and riser materials such as glass or plastic around 370 nm just enough are transparent and secondly in that a comparison with the often used Hg line at 365 nm becomes possible.

Der prinzipielle Aufbau einer weißen LED ist in 1 nach [5] schematisch dargestellt. Durch den in einem GaInN-Chip 1 befindlichen pn-Übergang 2 wird ein Flussstrom gezogen, der zu einer Lichtemission im und in der unmittelbaren Nähe des pn-Übergangs durch die strahlende Rekombination der injizierten Elektronen und Löcher führt. Das blaue Licht wird isotrop in den Raum emittiert, von dem jedoch nur zentrierte Strahlen in eine gewünschte Richtung gelenkt werden können. Der Chip wird mit einem Epoxidharz 3 verschlossen, in dem organische oder anorganische Phosphore 4 eingebettet sind. Als Träger und für die Zuführung der Spannung fungieren die Elektroden 5 mit einer eingearbeiteten Kalotte 6. Für einen geschlossenen Stromkreis sorgt schließlich ein dünner Bonddraht 11, der kaum Einfluss auf die Lichtemission infolge seines kleines Durchmessers nimmt (Abschattung vernachlässigbar).The basic structure of a white LED is in 1 shown schematically according to [5]. By the in a GaInN chip 1 located pn junction 2 a flow current is drawn, which leads to light emission in and in the immediate vicinity of the pn junction due to the radiative recombination of the injected electrons and holes. The blue light is emitted isotropically into the room, from which, however, only centered beams can be directed in a desired direction. The chip is made with an epoxy resin 3 sealed, in which organic or inorganic phosphors 4 are embedded. The electrodes act as carriers and for supplying the voltage 5 with an integrated calotte 6 , Finally, a thin bond wire ensures a closed circuit 11 , which has hardly any influence on the light emission due to its small diameter (shading negligible).

Zur Realisierung hoher äußerer Quantenausbeuten bringt man den Chip 1 in die verspiegelte Kalotte 6 ein, die als Hohlspiegel einen großen Teil der seitlichen und rückwärtsgerichteten Strahlung nach vorn reflektiert und fester Teil einer der Elektroden 5 ist. Damit weist die Injektionslumineszenz eine Richtcharakteristik auf, die durch den linsenförmigen Plastikdom 7 noch weiter gebündelt wird und Abstrahlwinkel von wenigen Grad bis zu 180° (in SMD-Bauelementen) erreichen kann.The chip is used to achieve high external quantum yields 1 in the mirrored calotte 6 a, which, as a concave mirror, reflects a large part of the lateral and rearward radiation towards the front and a fixed part of one of the electrodes 5 is. The injection luminescence thus has a directional characteristic, which is due to the lenticular plastic dome 7 bundled even further and can reach beam angles of a few degrees up to 180 ° (in SMD components).

Diese Abstrahlcharakteristik wird kaum durch eine Phosphoreszenzschicht 4, die aus einem Gemisch der organischen oder anorganischen Farbstoffe mit Epoxidharz 6 besteht und die Kalotte abdeckt, verändert. Durch die Absorption eines Teils des primären blauen Lichtes der Injektionslumineszenz im Farbstoff 4 wird eine Photolumineszenz 8, 10 hervorgerufen, die wieder isotrop in den Raum emittiert wird. Durch den linsenartigen Plastikdom wird eine Formung der Photolumineszenz nur unvollständig möglich, so dass nur Strahlen 8 gebündelt werden und nach vorn den Linsendom verlassen können. Im Vergleich zur Injektionslumineszenz 9 wird wegen der unterschiedlichen Orte der Lichtentstehung die Photolumineszenz eine etwas andere Richtcharakteristik aufweisen. Beide Lichtarten, d. h. die blaue Injektionslumineszenz und die langwelligere Photolumineszenz, werden vom Auge des Beobachters gemeinsam wahrgenommen, so dass infolge der additiven Farbmischung ein mehr oder weniger weißes Licht beobachtet wird, das entsprechend dem Blauanteil Farbtemperaturen zwischen 5.000 K und 20.000 K aufweisen kann.This radiation pattern is hardly achieved by a phosphorescent layer 4 made from a mixture of organic or inorganic dyes with epoxy resin 6 exists and covers the calotte, changed. By absorbing part of the primary blue light of the injection luminescence in the dye 4 becomes a photoluminescence 8th . 10 caused, which is isotropic emitted into the room again. Due to the lens-like plastic dome, the formation of the photoluminescence is only possible incompletely, so that only rays 8th be bundled and can leave the lens dome towards the front. Compared to injection luminescence 9 the photoluminescence will have a slightly different directional characteristic due to the different locations of the light. Both types of light, ie the blue injection luminescence and the long-wave Photoluminescence is perceived jointly by the observer's eye, so that as a result of the additive color mixing, a more or less white light is observed, which, depending on the blue component, can have color temperatures between 5,000 K and 20,000 K.

In 2 ist ein typisches Emissionsspektrum einer derartigen LED zu sehen. Wir erkennen eine kurzwellige blaue Bande 12, die der Injektionslumineszenz entspricht, und eine langwelligere breitere Bande 13, die zur Photolumineszenz des Phosphors gehört.In 2 a typical emission spectrum of such an LED can be seen. We see a short-wave blue band 12 , which corresponds to the injection luminescence, and a longer-wave wider band 13 belonging to the photoluminescence of the phosphor.

Die Veränderung der Banden mit dem Flussstrom ist in 3 dargestellt. Bei gleichbleibender bzw. konstant gehaltener Empfindlichkeit des Empfängers erkennt man, daß die Kurve 14 für 1 mA und die Kurve 15 für 5 mA noch nicht voll ausgebildet sind. Verwendet man einen empfindlicheren Nachweisbereich, dann kann man mit der Kurve 16 den zu 10 mA und mit der Kurve 17 den zu 30 mA nahezu ebenbürtigen Zustand realisieren. Beim Einsatz der weißen LED muss man jedoch beachten, dass mit zunehmendem Flussstrom eine leichte Peakverschiebung zu beobachten ist. Da man aber meistens einen ausgewählten Flussstrom für eine Sensoreinstellung verwendet, spielt dies keine Rolle.The change in the bands with the flow current is in 3 shown. If the sensitivity of the receiver is constant or kept constant, one can see that the curve 14 for 1 mA and the curve 15 are not fully developed for 5 mA. If you use a more sensitive detection area, you can use the curve 16 to 10 mA and with the curve 17 realize the state almost equal to 30 mA. When using the white LED, however, you must note that a slight peak shift can be observed with increasing flow current. However, since a selected flow current is mostly used for a sensor setting, this does not matter.

Bedingt durch die geringfügig unterschiedlichen Entstehungsorte beider Lichtarten muss bei unterschiedlichen Betrachtungswinkeln eine farbliche Veränderung auftreten, d. h. die Farbkoordinaten ändern sich mit dem Betrachtungswinkel. Da die Strahlungsintensität in Zenit- bzw. Geradeausrichtung am größten ist, bemerkt man diesen Effekt nur bei zielgerichteter Beobachtung. Für ausgewählte Betrachtungswinkel von 0° (Kurve 19), 10° (Kurve 20) und 40° (Kurve 18) kann man die spektralen Veränderungen aus 4 entnehmen. Dabei wurden die Spektren auf den blauen Peak der Injektionslumineszenz normiert.Due to the slightly different origins of the two types of light, a color change must occur at different viewing angles, ie the color coordinates change with the viewing angle. Since the radiation intensity is greatest in the zenith or straight direction, this effect can only be noticed with targeted observation. For selected viewing angles of 0 ° (curve 19 ), 10 ° (curve 20 ) and 40 ° (curve 18 ) you can see the spectral changes 4 remove. The spectra were normalized to the blue peak of the injection luminescence.

Durch mehrere Druckschriften ( DE 43 36 520 A1 , DE 195 24 326 A1 , DE 198 06 560 A1 , DE 198 57 845 A1 ) sind bereits Vorrichtungen und Verfahren bekannt, durch die mittels Lichtemitterdioden Verunreinigungen vor allem in Waschflüssigkeiten für Wasch- oder Geschirrspülmaschinenen nach Art und Umfang oder der Pegel solcher Flüssigkeiten bestimmt werden. Dabei sind auch bereits Methoden bekannt, die Temperaturdrift der Dioden-Kennwerte zu kompensieren. Diese Vorrichtungen sind nach den zuvor dargestellten Bedingungen von Lichtemitterdioden ausgelegt.Through several publications ( DE 43 36 520 A1 . DE 195 24 326 A1 . DE 198 06 560 A1 . DE 198 57 845 A1 ) Devices and methods are already known by means of which light emitter diodes are used to determine the type and extent or level of such liquids, especially in washing liquids for washing machines or dishwashers. Methods are already known to compensate for the temperature drift of the diode parameters. These devices are designed according to the conditions of light emitting diodes described above.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Auswertegenauigkeit solcher Verfahren und Vorrichtungen zu verbessern und zu vereinfachen.The aim of the present invention is the evaluation accuracy of such methods and devices improve and simplify.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, dass die Veränderungen des Emissionsspektrums, zu denen die Peak-Intensitäten, die integralen Intensitäten des Gesamtspektrums und der ergänzten Einzelspektren der Injektionslumineszenz und der Photolumineszenz, die veränderten Anstiege der Flanken der Banden, die Verhältnisse der Peakwellenlängen und der integralen Intensitäten der Einzelspektren, die Verschiebung der Peakwellenlängen, verunreinigungsspezifische Absorptionen und selektive Anregungen von Verunreinigungen zur Fluoreszenz gehören, ausgewertet werden. Erfindungsgemäß werden die Spektren inklusive der messbaren Veränderungen mit einem faseroptischen Kompaktspektrometer oder mit einem ähnlichen optoeiektronischen Empfänger mittels Lichtwellenleiter nachgewiesen, wobei die Steuerung der Messprozedur, die Speicherung und die Bearbeitung sowie Auswertung mit einem Computer vorgenommen wird.According to the invention, this is the goal achieved the changes of the emission spectrum to which the peak intensities are integral intensities of the entire spectrum and the supplemented individual spectra the injection luminescence and the photoluminescence that changed Increases in the flanks of the bands, the ratios of the peak wavelengths and of the integral intensities of the individual spectra, the shift of the peak wavelengths, contamination-specific Absorption and selective excitation of contaminants for fluorescence belong, be evaluated. According to the invention, the spectra are included of measurable changes with a fiber optic compact spectrometer or with a similar one opto-electronic receiver detected by means of optical fibers, the control of the Measurement procedure, storage and processing as well as evaluation is done with a computer.

In der hier vorgestellten Erfindung wird im Gegensatz zu den bekannten Messmethoden immer ein eingrenzter Winkel der Abstrahlcharakteristik herangezogen, so dass der auftretende Fehler den Einsatz eines solchen Sensors nicht erschwert, zumal die Anfangsdaten der weißen LED nach Durchgang durch destilliertes Wasser oder Leitungswasser immer gespeichert und später zur Normierung herangezogen werden.In the invention presented here in contrast to the known measurement methods, it is always a limited one Angle of the radiation pattern used, so that the occurring Errors do not complicate the use of such a sensor, especially since the starting dates of the white ones LED after passing through distilled water or tap water always saved and later be used for standardization.

Für die Endung ist die Proportionalität der Intensität der primären Injektionslumineszenz zur Intensität der sekundären Photolumineszenz von entscheidender Bedeutung. Sie sollte im üblichen Betriebsbereich der LED, also im Bereich der Flussströme von etwa 0,1 mA bis 100 mA, hinreichend genau sein (siehe auch 3 für einen kleineren Flussstrombereich). Setzt man diese direkte Proportionalität in einem ausgewählten Flussstrombereich voraus, dann verändern sich die Intensitäten der Peakwellenlängen, die integralen Intensitäten beider Banden und die Halbwertsbreiten beider Emissionen gleichartig, d. h. man kann ohne ein modifizierendes Medium die Verhältnisse beider Banden als konstant betrachten. Das kann, wie oben schon bemerkt, immer zu Beginn der Messprozedur als Basiswert gespeichert werden.The proportionality of the intensity of the primary injection luminescence to the intensity of the secondary photoluminescence is of decisive importance for the ending. It should be sufficiently accurate in the usual operating range of the LED, i.e. in the range of the flux currents from about 0.1 mA to 100 mA (see also 3 for a smaller flow current range). Assuming this direct proportionality in a selected flow current range, the intensities of the peak wavelengths, the integral intensities of both bands and the half-widths of the two emissions change in the same way, i.e. one can consider the ratios of both bands as constant without a modifying medium. As noted above, this can always be saved as a base value at the beginning of the measurement procedure.

Ein weiteres Problem beim Einsatz eines derartigen Sensors tritt infolge der Temperaturabhängigkeit der elektrischen Parameter von Halbleiterbauelementen auf. Setzt man voraus, dass unter Konstantstrombedingungen gearbeitet wird, dann ergibt sich für einen Flussstrom von etwa 5 mA ein Temperaturkoeffzient der Flußspannung Uf von etwa 2,2 mV/K für die temperaturbedingte Flussspannungsvariation. Nimmt man an, dass beispielsweise eine Waschmaschine in einem Temperaturintervall von 5 °C bis 80 °C eingesetzt wird, dann würde sich, wenn die weißen und anderen LED auch diese Temperatur annehmen, die Flussspannung bei konstantem Flussstrom um etwa 165 mV ändern.Another problem with the use of such a sensor arises due to the temperature dependence of the electrical parameters of semiconductor components. Assuming that work is carried out under constant current conditions, then for a flow current of about 5 mA there results a temperature coefficient of the flow voltage U f of about 2.2 mV / K for the temperature-dependent flow voltage variation. Assuming, for example, that a washing machine is used in a temperature range of 5 ° C to 80 ° C, if the white and other LEDs also assume this temperature, the forward voltage would change by approximately 165 mV with a constant flow current.

Dieser Wert kann durch eine Konstantstromeinspeisung ohne weiteres verkraftet werden, so dass bei Verwendung einer geeigneten Versorgungsquelle die Temperaturabhängigkeit der Kennlinien keinen großen Einfluss auf die Arbeitsweise des Sensors ausüben kann. Aus dieser Temperaturabhängigkeit ergibt sich aber auch ein besonderer Vorteil des Einsatzes solcher Halbleiteremitter. Setzt man den obigen Temperaturkoeffizienten der Flussspannung bei konstantem Flussstrom If als bekannt voraus, dann kann in eine Regeleinheit zur Flussspannungskompensation sofort die Temperatur der LED eingegeben werden. Man hat also dadurch die Möglichkeit, Temperatureinflüsse zusätzlich zu gewinnen und sie sofort zur Korrektur der temperaturabhängigen Parameter zu nutzen.This value can be easily coped with by a constant current feed, so that when a suitable supply source is used, the temperature dependence of the characteristic curves cannot have a major influence on the functioning of the sensor. This temperature dependency also results in a particular advantage of using such semiconductor emitters. Assuming the above temperature coefficient of the forward voltage at a constant flow current I f as known, then a control unit can be used the temperature of the LED can be entered immediately to compensate for forward voltage. This gives you the opportunity to gain additional temperature influences and use them immediately to correct the temperature-dependent parameters.

Beachtet muss jedoch ferner werden, dass auch die Rekombinationseigenschaften von Halbleiterinjektionsdioden infolge der temperaturabhängigen Bandlücke einen Temperaturgang aufweisen. Die Verschiebung der Peakwellenlänge von GaInN-LED besitzt im allgemeinen einen Temperaturkoeffizienten von etwa 0,06 nm/K (siehe [1]), während GaAlAs-IRED einen größeren Wert von etwa 0,12 nm/K aufweisen. Bei einem Einsatz im obigen Temperaturintervall würde sich für die blaue Bande der weißen LED eine Peakwellenlängenverschiebung von maximal 4,5 nm ergeben. Nimmt man Raumtemperatur von 22°C als Ausgangswert, würde die Peakwellenlänge der weißen LED und der UVED bis zu 80°C sich maximal um 3,5 nm ändern, was im Auflösungsbereich von faseroptischen Billigkompaktspektormetern liegt. Für die IRED ergäbe sich ein Wert von etwa 9 nm.However, attention must also be paid to that also the recombination properties of semiconductor injection diodes due to the temperature dependent bandgap have a temperature response. The shift in the peak wavelength from GaInN-LED generally has a temperature coefficient of about 0.06 nm / K (see [1]), while GaAlAs-IRED a larger value of about 0.12 nm / K. When used in the above temperature range would for the blue band of white LED a peak wavelength shift of maximum 4.5 nm. If you take room temperature of 22 ° C as a starting value, would Peak wavelength the white one LED and the UVED up to 80 ° C change by a maximum of 3.5 nm, what in the resolution area of fiber optic cheap compact spectrometer. For the IRED would result a value of about 9 nm.

Da die infrarote Bande sehr breit ist und ihr Spektrum immer nur als Vergleich herangezogen wird, ist die Peakverschiebung von untergeordneter Bedeutung. Die Abweichung der Peaks mit der Temperatur sollte jedoch in Ausnahmefällen bei der Auswertung der durch die Flüssigkeit mit ihren Verunreinigungen modifzierten Strahlung berücksichtigt werden, was durch die Temperaturangabe aus der oben diskutierten Flussspannungsänderung sofort möglich ist.Because the infrared band is very wide and their spectrum is only ever used as a comparison, the peak shift is of minor importance. The deviation the peaks with the temperature should, however, exceptionally evaluating the through the liquid with their contaminants modified radiation considered be what is indicated by the temperature from the above Forward voltage change immediately possible is.

Die Erfindung betrifft nun die Nutzung solcher weißen LED, ergänzt durch UVED und/oder IRED, für den Nachweis von Verunreinigungszuständen und die Veränderung derselben in Flüssigkeiten derart, dass die LED an einem Bypass oder an einem Steig- bzw. Durchflussrohr, in denen eine ruhende Flüssigkeitssäule oder eine strömende Flüssigkeit vorhanden ist, angebracht werden, ihre Strahlungen nach dem Durchtritt durch die Flüssigkeit von einem Glas- oder Kunststofflichtlichtwellenleiter in ein faseroptisches Kompaktspektrometer oder in einen ähnlichen optoelektronischen Empfänger überführt werden und die Modifkation des transmittierten bzw. gestreuten Lichtes analysiert wird, wobei mindestens je eine LED in Geradeausrichtung und in 90°-Richtung angebracht werden und die Licht- bzw. Strahlungssignale gleichzeitig oder nacheinander an ein Spektrometer oder an einen ähnlichen optoelektronischen Empfänger gegeben werden. Je nach Schaltzustand wird eine Auswertung der licht- bzw. strahlungsemittierenden Dioden in Abhängigkeit vom Verunreinigungszustand der Flüssigkeit vorgenommen.The invention now relates to use such white ones LED, supplemented by UVED and / or IRED, for which Detection of contamination states and the change the same in liquids such that the LED on a bypass or on a riser or flow tube, in which a stationary column of liquid or a flowing liquid is present, be attached to their radiations after passage through the liquid from a glass or plastic light waveguide to a fiber optic Compact spectrometer or in a similar optoelectronic To be transferred to the recipient and the modification of the transmitted or scattered light is analyzed, with at least one LED in a straight line and in the 90 ° direction be attached and the light or radiation signals simultaneously or successively to a spectrometer or similar optoelectronic receiver are given. Depending on the switching state, an evaluation of the light or radiation emitting Diodes in dependence made from the state of contamination of the liquid.

Anhand von mehreren in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Endung nachstehend erläutert. in der Zeichnung zeigenUsing several in the drawing illustrated embodiments the ending is explained below. show in the drawing

1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer weißen LED, 1 a schematic representation of the structure of a white LED,

2 typische Emissionsspektren einer weißen NICHIA-LED, 2 typical emission spectra of a white NICHIA LED,

3 die Stromdichteabhängigkeit der Spektren einer weißen LED, 3 the current density dependence of the spectra of a white LED,

4 die Winkelabhängigkeit der Emissionsspektren einer weißen LED, 4 the angle dependence of the emission spectra of a white LED,

5 eine Anordnung der LED in einem ersten Ausführungsbeispiel, 5 an arrangement of the LED in a first embodiment,

6 eine Anordnung der licht- bzw. strahlungsemittierende Dioden in einem zweiten Ausführungsbeispiel, 6 an arrangement of the light- or radiation-emitting diodes in a second embodiment,

7 die Modifizierung der Spektren einer weißen LED mit unterschiedlichen Wasserdichten, 7 the modification of the spectra of a white LED with different water densities,

8 dei Modifizierung der Transmissionsmissionsspektren einer weißen LED durch Waschprozesse in einer Versuchswaschmaschine, 8th dei modification of the transmission mission spectra of a white LED by washing processes in a test washing machine,

9 die Modifizierung der Spektren einer weißen und einer infraroten Diode, 9 modification of the spectra of a white and an infrared diode,

10 die Modifizierung der Spektren einer weißen und einer infraroten Diode bei bewusster Wasserverunreinigung, 10 the modification of the spectra of a white and an infrared diode with deliberate water pollution,

11 Streuspektren (90°-Richtung) einer weißen und einer infraroten Emitterdiode, 11 Scatter spectra (90 ° direction) of a white and an infrared emitter diode,

12 ein Transmissionsspektrum von normalem Leitungswasser unter Verwendung einer weißen LED und einer ultraviolettes Licht emittierenden Diode (UVED) und 12 a transmission spectrum of normal tap water using a white LED and an ultraviolet light emitting diode (UVED) and

13 ein Transmissionsspektrum von Flusswasser (norddeutscher Fluss bei Ebbe) unter Verwendung einer weißen LED und einer ultraviolettes Licht emittierenden Diode (UVED). 13 a transmission spectrum of river water (north German river at low tide) using a white LED and an ultraviolet light-emitting diode (UVED).

Im ersten Ausführungsbeispiel nach 5 werden die weißen LED 21, 22 an einem zylinderförmigen Bypass oder Steigrohr 24, der bis auf die Lichtdurchtrittsstellen geschwärzt 25 ist und so Reflexionen stark herabsetzt, um einen versetzten Winkel von 90° angebracht, deren schwach divergente Strahlen durch transparente Fenster 29 in die Flüssigkeit eindringen können, dort mit der Flüssigkeit 26 und/oder mit den Verunreinigungen wechselwirken können und nach Durchtritt durch das Fenster 29 in den Lichtwellenleiter 23 eindringen, der das Messsignal in ein Spektrometer oder in einen ähnlichen optoelektronischen Empfänger überführt.In the first embodiment 5 become the white LED 21 . 22 on a cylindrical bypass or riser 24 , which is blackened except for the light passage points 25 and thus greatly reduces reflections, by an offset angle of 90 °, whose weakly divergent rays through transparent windows 29 can penetrate into the liquid, there with the liquid 26 and / or can interact with the impurities and after passing through the window 29 in the optical fiber 23 penetrate, which transfers the measurement signal in a spectrometer or in a similar optoelectronic receiver.

Das von der LED 21 ausgehende Licht 27 wird durch Absorptionen und Streuungen geschwächt. Da es leicht divergent ist, erfolgt auch noch eine Aufspreizung der Strahlen. In die Empfängerfaser gelangt also nur ein Bruchteil der von der LED 21 ausgehenden Strahlung. Die messbare transmittierte Strahlung wird sich mit der Art der Flüssigkeit und in Abhängigkeit von ihren Verunreinigungen und deren Konzentration mehr oder weniger stark ändern. Wenn in einer Flüssigkeit Verunreinigungen vorhanden sind, kann an ihnen das Licht gestreut und selektiv absorbiert werden, was in bestimmten Fällen sogar zur Fluoreszenz von Verunreinigungen führen kann.That from the LED 21 outgoing light 27 is weakened by absorption and scattering. Since it is slightly divergent, the beams are also spread apart. Only a fraction of that from the LED gets into the receiver fiber 21 outgoing radiation. The measurable transmitted radiation will change more or less strongly with the type of liquid and depending on its impurities and their concentration. If contaminants are present in a liquid, the light can be scattered and selectively absorbed on them, in some cases even causing the contaminants to fluoresce can lead.

Solche Fluoreszenzen zeigen sich dann als Spektrenveränderungen in den langwelligen Schultern der Banden. Die Streuung des Lichtes bzw. der Strahlung hängt nun von der Größe der Streuzentren, von ihrer Symmetrie, ihrem Brechungsindex und von ihrer Konzentration ab. Sind die Streuzentren wesentlich kleiner als die Wellenlänge der gestreuten Strahlung, dann kann die Streuintensität durch die Rayleigh-Theorie beschrieben werden, die eine symmetrische cos-artige Intensitätsverteilung mit Werten zwischen 1 und 2 aufweist, wobei auf Polarisationseffekte hier nicht eingegangen werden soll. ihre Intensität ist für eine konstante Winkeleinstellung der Wellenlänge umgekehrt proportional (I(λ) = const. λ–n), wobei der Exponent n einen Wert von etwa 4,2 hat.Such fluorescence then shows up as spectral changes in the long-wave shoulders of the bands. The scattering of light or radiation now depends on the size of the scattering centers, on their symmetry, their refractive index and on their concentration. If the scattering centers are significantly smaller than the wavelength of the scattered radiation, then the scattering intensity can be described by the Rayleigh theory, which has a symmetrical cos-like intensity distribution with values between 1 and 2, whereby polarization effects will not be discussed here. their intensity is inversely proportional to a constant angle setting of the wavelength (I (λ) = const. λ –n ), the exponent n having a value of approximately 4.2.

Um die gestreute Strahlung von der direkten Strahlung möglichst gut unterscheiden zu können, misst man häufig in 90°-Richtung. Da LED sehr billig sind und sich leicht elektronisch ein- und ausschalten lassen, wird anstelle des in 90°-Richtung notwendigen Lichtwellenleiters eine zweite weiße LED 22 angebracht, deren Strahlung 28 nicht direkt in den Lichtwellenleiter 23 gelangen kann, sondern von der schwarzen Wand 25 absorbiert wird. Dies hat auch den Vorteil, dass kein Multiplexer für die Lichtwellenleiter zum Spektrometer notwendig ist. Die gestreuten Strahlen 30 gelangen nun teilweise in den Lichtwellenleiter 23 und werden dem Empfänger zu geleitet.In order to be able to differentiate the scattered radiation from the direct radiation as well as possible, measurements are often taken in the 90 ° direction. Since LEDs are very cheap and can be easily switched on and off electronically, a second white LED is used instead of the optical waveguide required in the 90 ° direction 22 attached whose radiation 28 not directly into the optical fiber 23 can get there, but from the black wall 25 is absorbed. This also has the advantage that no multiplexer is required for the optical fibers to the spectrometer. The scattered rays 30 partially get into the optical fiber 23 and are sent to the recipient.

Das einfache Ein- und Ausschalten der LED 21 und 22 gestattet es nun, sowohl das direkte transmittierte, durch die Flüssigkeit modifizierte Licht zu messen als auch das gestreute Licht 30 der LED 22 in 90°-Richtung zu registrieren. Man kann also Streu- und Absorptionseinflüsse durch das Medium Flüssigkeit getrennt und beim Einschalten beider LED auch gleichzeitig nachweisen. Der letztere Fall ist eine additive Kontrollmessung und dient zum Vergleich der Signale der einzeln eingeschalteten LED.The simple switching on and off of the LED 21 and 22 now allows both the direct transmitted light modified by the liquid and the scattered light to be measured 30 the LED 22 to register in the 90 ° direction. So you can separate scattering and absorption influences by the medium liquid and also detect when switching on both LEDs at the same time. The latter case is an additive control measurement and is used to compare the signals of the individually switched on LED.

Werden die Streuzentren größer und größer und wird ihr Durchmesser allmählich vergleichbar mit der Wellenlänge der Primärstrahlung oder gar größer als dieselbe, dann kann die Intensitätsverteilung durch die Mie-Theorie beschrieben werden. Diese mathematisch anspruchsvolle Theorie enthält als Ausgangsparameter nur die Brechungsindizes des Mediums und der Streuzentren, die Größe der Streuzentren und ihre Symmetrie und stellt die allgemeine Lösung des kombinierten Beugungs- und Absorptionsproblems von Verunreinigungen in Medien mit einem Brechungsindex, der sich von dem der Verunreinigungen unterscheiden muss, dar. Das Ergebnis erhält man durch Reihenentwicklungen komplizierter Funktionen, wobei die Reihen schlecht konvergieren und daher eine sehr große Anzahl von Gliedern berücksichtigt werden muss, was heute im Zeitalter der schnellen Computer keine Beschränkung mehr darstellt.The scattering centers get bigger and bigger and their diameter gradually increases comparable to the wavelength the primary radiation or even bigger than same, then the intensity distribution can be described by the Mie theory. This mathematically demanding Contains theory only the refractive indices of the medium and the Scattering centers, the size of the scattering centers and their symmetry and represents the general solution to the combined diffraction and absorption problem of contaminants in media with a refractive index that is from which the impurities must differ. The result receives one through series developments of complicated functions, whereby the Rows converge poorly and therefore a very large number considered by limbs must be what is not in the age of fast computers restriction represents more.

Man erhält mit zunehmender Teilchengröße eine immer größere Intensität der gestreuten Strahlung in Vorwärtsrichtung bei gleichzeitiger schwacher Abhängigkeit von der Wellenlänge der verwendeten Strahlung, was dann gemäß 5 einen Zuwachs der direkten Strahlung 27 bedeutet. Man kann also bei entsprechender Verunreini gung beide Streuarten vergleichen und entsprechende Schlüsse bzgl. der Streuzentren und ihre Größe sowie Konzentration bei Verwendung des Verfahrens nach 5 ziehen. Verändert sich die Verunreinigungsart oder -konzentration, dann ergibt sich die prinzipielle Möglichkeit, die Spektren der Vorwärtsrichtung unterschiedlicher Zustände durcheinander zu dividieren, so dass die Veränderungen der Streu- und Absorptionseinflüsse sichtbar gemacht werden können.With increasing particle size, an ever greater intensity of the scattered radiation in the forward direction is obtained with a simultaneous weak dependence on the wavelength of the radiation used, which is then in accordance with 5 an increase in direct radiation 27 means. In the event of a corresponding contamination, one can therefore compare both types of scatter and make appropriate conclusions with regard to the scatter centers and their size and concentration when using the method 5 pull. If the type or concentration of impurities changes, then there is the basic possibility of dividing the spectra of the forward direction of different states by one another, so that the changes in the scattering and absorption influences can be made visible.

In 7 ist eine Spektrenmodifikation einer weißen LED durch unterschiedliche Wässer dargestellt. Während die Kurve 43 das LED-Spektrum für Leitungswasser enthält, repräsentiert die Kurve 42 Flusswasser bei Niedrigwasserstand eines norddeutschen Flusses (bei Ebbe). Die Kurve 41, gemessen an schwach verschmutztem Wasser, bringt sowohl eine starke Abnahme des kurzwelligen Peaks als auch eine Peakwellenlängensverschiebung der langwelligen Bande mit sich.In 7 is a spectral modification of a white LED through different waters. During the curve 43 contains the LED spectrum for tap water, represents the curve 42 River water at a low water level in a north German river (at low tide). The curve 41 , measured on slightly polluted water, entails both a sharp decrease in the short-wave peak and a shift in the peak wavelength of the long-wave band.

Diese gemessenen prinzipiellen Verhaltensweisen treten bei nicht extrem stark verunreinigten Flüssigkeiten immer wieder auf. Eine zu hohe Verunreinigungskonzentration führt allerdings zu solch hohen Absorptionen, die kein direktes bzw. gestreutes Licht mehr passieren lassen und folglich keine Messung mehr ermöglichen.These measured principal behaviors occur repeatedly with liquids that are not extremely heavily contaminated. Too high a concentration of impurities, however, leads to such high ones Absorptions that no longer pass direct or scattered light leave and consequently no longer allow measurement.

In 8 sind vier Spektren einer weißen LED dargestellt, die an bewusst verunreinigtem Wasser aufgenommen wurden. Das Spektrum der Kurve 47 entspricht dem des normalen Leistungswassers (Berliner Wasser: Härte etwa 18°dH). Die Peakwellenlängen und die relativen Intensitätseinheiten sind als Parameter in 8 mit enthalten. Die Kurven 46 und 45 steifen Verunreinigungen von Schmutz in Wasser dar, wobei der Schmutz nach unterschiedlichen Lösungszeiten aus Testgeweben von EMPA (St. Gallen) sich in Wasser löste. Das Spektrum 44 wurde aus 45 dadurch gewonnen, in dem noch zusätzlich Rotwein ins schon leicht verschmutzte Wasser gegeben wurde.In 8th Four spectra of a white LED are shown, which were recorded on deliberately contaminated water. The spectrum of the curve 47 corresponds to that of normal power water (Berlin water: hardness about 18 ° dH). The peak wavelengths and the relative intensity units are as parameters in 8th included. The curves 46 and 45 stiff impurities of dirt in water, whereby the dirt dissolved in water after different solution times from test fabrics from EMPA (St. Gallen). The spectrum 44 was out 45 won by adding red wine to the slightly polluted water.

Man erkennt

  • (i) eine Peakwellenlängenverschiebung des blauen Peaks,
  • (ii) eine Verschiebung der maximalen Peakwellenlänge der langwelligeren Bande,
  • (iii) eine unterschiedliche Abnahme der Intensitäten,
  • (iv) veränderte Anstiege der kurzwelligen Flanken beider Banden, und
  • (v) dass die Flächen der einzelnen Spektren sowie die Flächenverhältnisse der rekonstruierten Einzelspektren (rekonstruierte gaußähnliche Kurven unter Berücksichtigung der Schiefe) unterschiedlich sind.
One recognises
  • (i) a peak wavelength shift of the blue peak,
  • (ii) a shift in the maximum peak wavelength of the longer wavelength band,
  • (iii) a different decrease in intensities,
  • (iv) changed increases in the short-wave flanks of both bands, and
  • (v) that the areas of the individual spectra as well as the area ratios of the reconstructed individual spec tren (reconstructed Gaussian curves taking skewness into account) are different.

Beispielsweise ändern sich die Peakverhältnisse zwischen der längenwelligen Bande zur blauen Emission der Kurven 47 bis 44 von 2,10 über 2,48 und 2,83 bis zu 3,30, was nach einer entsprechenden Eichung sehr gute Schwellenwerte für eine in-situ-Optimierung von Prozessen darstellt. Ähnliche Verhältnisse treten für die anderen genannten Parameter ebenfalls auf.For example, the peak ratios change between the long-wave band for the blue emission of the curves 47 to 44 from 2.10 to 2.48 and 2.83 to 3.30, which, after appropriate calibration, represents very good threshold values for in-situ optimization of processes. Similar relationships also occur for the other parameters mentioned.

Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 6 nutzt nun ebenfalls weiße LED und auch Infrarot-Emitter, die beispielsweise eine infrarote Strahlung mit einer Peakwellenlänge von etwa 860 nm emittieren, und wahlweise auch UVED mit einer Peakwellenlänge um etwa 370 nm. Gemäß 6 sind am Bypass 24 mit einer entsprechenden Schwärzung 25 je eine weiße LED 31 bzw. 33 angebracht wie im obigen Beispiel, wobei durch die Fenster 29 eine Messung des transmittierten Lichts 35 und des gestreuten Lichtes 39 des Primärstrahls 37 mittels eines Lichtwellenleiters 23 (LWL) und eines Empfänger möglich ist. Durch unterschiedliche Schaltzustände der beiden Dioden kann wie oben Transmission und Streuung gemessen werden. An den Positionen 32 und 34 können nun IRED oder wahlweise UVED angebracht werden, wobei auch eine Kombination beider an diesen Positionen möglich ist. Sie können die Strahlen 36 bzw. 37 aussenden. Ihre Strahlung kann direkt aus der Position 32 und als Streustrahlung von den Streuzentren 40 aus, verursacht aus der Position 34, registriert werden.The second embodiment according to 6 now also uses white LEDs and also infrared emitters, which for example emit infrared radiation with a peak wavelength of around 860 nm, and optionally also UVED with a peak wavelength around 370 nm 6 are at the bypass 24 with a corresponding blackening 25 one white LED each 31 respectively. 33 attached as in the example above, through the window 29 a measurement of the transmitted light 35 and the scattered light 39 of the primary beam 37 by means of an optical fiber 23 (LWL) and a recipient is possible. Different switching states of the two diodes can be used to measure transmission and scatter as above. At the positions 32 and 34 IRED or optionally UVED can now be attached, whereby a combination of both is also possible at these positions. You can see the rays 36 respectively. 37 send out. Your radiation can go straight from the position 32 and as scattered radiation from the scattering centers 40 out, caused out of position 34 , are registered.

Folgende Messabläufe sind nun wahlweise möglich:
Analog zum ersten Beispiel sind auch alle Messarten wie oben diskutiert enthalten. Fügt man zu den weißen LED die IRED hinzu, dann können als Kontrolle immer die Infrarot(IR)-Spektren gemessen werden, was bei kaum verändertem IR-Spektrum der IRED 34 aber stark verändertem Spektrum der weißen LED 33 eindeutige Aussagen zur Strahlungsstreuung zulässt. Ist die Lichtabsorption und Sireuung schon sehr groß, gewinnt man zusätzlich aus den Daten der weißen LED 31 und der I-RED 32 noch Aussagen zur Vorwärtsstreuung und der wellenlängenabhängigen Absorption, die infolge der unterschiedlichen Verunreinigungen im Infraroten eindeutig unterschiedlich zum Kurzwelligen ist. Setzt man anstelle der IRED auf die Positio nen 32 und 33 UVED, dann lassen sich wirksame kurzwellige Absorptionen und insbesondere die im Kurzwelligen sehr wirksame Rayleigh-Streuung gut detektieren. Eine Kombination von je einer IRED und einer UVED erschließt letztendlich alle nachweisbaren Absorptionen und Streuungen in Geradeausrichtung und in 90°-Richtung. Da alle LED, IRED und UVED in Synchronisation mit dem Spektrometer vom Computer, der nicht in der Zeichnung nicht dargestellt ist, programmgemäß schnell schaltbar sind, kann bei kleinen Integrationszeiten in etwa einer Sekunde die Messung in allen Verknüpfungen ausgeführt werden. Der Kostenaufwand gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel ist vernachlässigbar (einige EURO), was die letztere Variante als universellen Sensor empfiehlt.
The following measurement sequences are now optionally possible:
Analogous to the first example, all measurement types are included as discussed above. If you add the IRED to the white LED, the infrared (IR) spectra can always be measured as a control, which is the case when the IR spectrum of the IRED is hardly changed 34 but greatly changed spectrum of the white LED 33 allows clear statements about radiation scattering. If the light absorption and control is already very high, you also gain from the data of the white LED 31 and the I-RED 32 still statements on forward scatter and the wavelength-dependent absorption, which is clearly different from the short-wave due to the different impurities in the infrared. If you place the IRED on the positions 32 and 33 UVED, then effective short-wave absorptions and especially the very effective Rayleigh scattering in short-wave can be detected well. A combination of one IRED and one UVED ultimately opens up all detectable absorptions and scattering in the straight direction and in the 90 ° direction. Since all LEDs, IRED and UVED can be quickly switched according to the program in synchronization with the spectrometer from the computer, which is not shown in the drawing, the measurement can be carried out in all links with short integration times in about one second. The cost compared to the first embodiment is negligible (a few euros), which the latter variant recommends as a universal sensor.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ausgehend von 5 und 6 ist in den folgenden Figuren zu sehen. 9 enthält Meßergebnisse von mit Rotwein definiert verunreinigtem Berliner Leitungswasser. Der nicht eingezeichnete Wert des Maximums für Leitungswasser beträgt für den Peak bei 458,4 nm etwa 1629 relative Einheiten (r. E.), während er für den Peak der Photolumineszenz bei 549,4 nm rund 3391 r. E. beträgt. Entscheidende Veränderungen treten bei der Zugabe von Rotwein auf. Die Kurve 51 entspricht der Transmission durch eine Mischung von Leitungswasser und Rotwein von 6:1, während die folgenden Kurven 50, 49 und 48 bei Verhältnissen von 5:1, 3:1 und 2:1 aufgenommen wurden. Die Peakwellenlänge der blauen Bande verschiebt sich mit der Rotweinkonzentration gegenüber dem Leitungswasserwert nicht (458,4 nm), obwohl ihre Intensität auch deutlich abnimmt. Anders verhält sich die langwelligere Bande, die sowohl intensitätsmäßig beeinflusst wird als auch eine Peakverschiebung aufweist. Die Werte sind unten angegeben.

Figure 00120001
Another embodiment based on 5 and 6 can be seen in the following figures. 9 contains measurement results of Berlin tap water contaminated with red wine. The value of the maximum for tap water, not shown, is approximately 1629 relative units (r.E.) for the peak at 458.4 nm, while it is approximately 3391 r for the peak of photoluminescence at 549.4 nm. E. is. Decisive changes occur when adding red wine. The curve 51 corresponds to the transmission through a mix of tap water and red wine of 6: 1, while the following curves 50 . 49 and 48 at ratios of 5: 1, 3: 1 and 2: 1. The peak wavelength of the blue band does not shift with the red wine concentration compared to the tap water value (458.4 nm), although its intensity also decreases significantly. The long-wave band behaves differently, which is both influenced in intensity and exhibits a peak shift. The values are given below.
Figure 00120001

Man erkennt sehr gut die geringere Transmission im Roten und die stärkere im Blauen. Wir haben es in diesem Falle mehr mit selektiver Absorption denn mit Streueffek ten zu tun. Die Wertedifferenzen sind sehr groß; so können Sensoren gut angesprochen werden.You can see the smaller one very well Transmission in red and the stronger one in the blue. In this case we are more selective absorption because to do with scatter effects. The differences in value are very large; so sensors can be addressed well.

Die Peakverschiebung im Bereich der langwelligen Bande beträgt zwischen den Kurven 51 und 48 etwa 60 nm, was für einen Sensor ein sehr gut nachweisbares Signal darstellt. Zieht man noch die Flächen der kurzwelligen Bande von der kurzwelligen Grenze bis zum Minimum (etwa bei 490 nm) (Ab1 bis Ab4) und der langwelligen Bande von 490 nm bis ins nahe Infrarot (Ag1 bis Ag4) zu Rate, dann erhält man folgende Werte:
Ag1 : Ab1 = 9,9
Ag2 : Ab2 = 11,2
Ag3 : Ab3 = 15,6
Ag4 : Ab4 = 21,6
The peak shift in the area of the long-wave band is between the curves 51 and 48 about 60 nm, which is a very detectable signal for a sensor. If we then look at the areas of the short-wave band from the short-wave limit to the minimum (around 490 nm) (A b1 to A b4 ) and the long-wave band from 490 nm to the near infrared (A g1 to A g4 ) then rate you get the following values:
A g1 : A b1 = 9.9
A g2 : A b2 = 11.2
A g3 : A b3 = 15.6
A g4 : A b4 = 21.6

Auch die Anstiege der langwelligen Bande der Kurven 48 bis 51 sind für die Verfolgung der Verunreinigungskonzentration und -art auswertbar. Sie ändern sich bei beispielsweise bei 517 nm folgendermaßen:
Kurve (51): 2,5
Kurve (50): 1,6
Kurve (49): 0,9
Kurve (48): 0,5
Also the rises of the long wave band of curves 48 to 51 can be used to track the concentration and type of contamination. At 517 nm, for example, they change as follows:
Curve ( 51 ): 2.5
Curve ( 50 ): 1.6
Curve ( 49 ): 0.9
Curve ( 48 ): 0.5

Wie man außerdem leicht erkennt, bleibt der langwellige Teil der Photolumineszenzbande von etwa 650 nm an nahezu unverfälscht konstant.As you can easily see, remains the long-wave part of the photoluminescence band of about 650 nm almost unadulterated constant.

Damit stehen die Peakverschiebungen, die Anstiege der Banden, die Flächenverhältnisse, die Intensitätsverhältnisse, die Halbwertsbreiten (soweit erkennbar bzw. identifizierbar) und selektive Absorptionen und Emissionen für die Verunreinigungssensorik zur Verfügung.So there are the peak shifts, the rises of the gangs, the area ratios, the intensity ratios, the half-widths (as far as recognizable or identifiable) and selective absorptions and emissions for pollution sensors to disposal.

Eine weitere Stütze der genannten Ausführungsbeispiele ist durch 10 gegeben. Die Kurve mit den Maxima 52, 53 und 54 entstammen den Emissionen einer weißen LED und einer IRED und wurden an rotweinhaltigem Leitungswasser aufgenommen. Aus den Veränderungen der Spektren, hier tritt in der Bande 53 kaum eine Absorption oder Streuung auf, kann man auf die Verunreinigung bzw. den Grad der „Verschmutzung" schließen.Another support of the mentioned embodiments is by 10 given. The curve with the maxima 52 . 53 and 54 originate from the emissions of a white LED and an IRED and were recorded on tap water containing red wine. From the changes in the spectra, here occurs in the gang 53 hardly any absorption or scattering can be deduced from the contamination or the degree of "pollution".

Das bringen auch die Streuspektren in 11 zum Ausdruck. Sie wurden an milchhaltigem Wasser aufgenommen. Dargestellt sind die Intensitäten der 90°-Streuung in r. E. Während das Spektrum der weißen LED mit den Maxima 55 und 57 stark modifiziert wurden, treten in der IR-Bande bei 54, 56 und 59 keine wesentlichen Strukturänderungen auf. Selbstverständlich kann die weiße LED bei 58 keine Streuung mehr hervorbringen. Wir haben es in diesem Falle mit der nahezu wellenlängenunabhängigen Mie-Streuung zu tun. Aus den Veränderungen der Spektren in Bezug auf „reines" Leitungswasser lassen sich eindeutige Aussagen zum Grad und zur Art der „Verschmutzung" machen.The spread spectra also bring this in 11 to expression. They were taken up in water containing milk. The intensities of the 90 ° scatter are shown in r. E. While the spectrum of the white LED with the maxima 55 and 57 strongly modified, join in the IR band 54 . 56 and 59 no significant structural changes. Of course, the white LED can 58 no longer produce scatter. In this case we are dealing with the almost wavelength-independent Mie scattering. From the changes in the spectra in relation to "pure" tap water, clear statements can be made about the degree and type of "pollution".

Ein weiteres Anwendungsbeispiel wird durch 12 und 13 veranschaulicht. Hier wurden eine weiße LED und eine UVED in den Positionen 31 und 32 der 6 verwendet. Die Spektren der Dioden nach dem Durchgang ihrer Strahlung durch normales Leitungswasser sind in 12 dargestellt. Gut zu erkennen sind die Peaks der UVED 60 und der weißen LED bei 61 und 62. Die Peaks bei 63 und 64 stellen jeweils die 2. Ordnung der UV-Emission bei 375 nm bzw. der blauen Bande bei etwa 470 nm, die vom Spektrometer ebenfalls nach dem Durchgang durch die Flüssigkeit registriert werden. Auch sie können zur Auswertung herangezogen werden. Betrachtet man jetzt die strukturellen Veränderungen bei Flusswasser gemäß 13, dann stellt man eine starke Reduzierung der kurzwelligen Banden und folglich der jeweiligen 2. Ordnung beider Banden fest. Hierzu benötigt man keine Vergleiche der Absolutwerte der Spektren, die aus diesem Grunde auch nicht aufgenommen wurden. Der Vorteil ergibt sich daraus, dass man bei nur leicht veränderter Empfindlichkeit des Spektrometers oder der faseroptischen Verbindungselemente nicht auf Absolutmessungen angewiesen ist. Das ist gerade der große Vorteil der vorliegenden Erfindung.Another application example is by 12 and 13 illustrated. Here a white LED and a UVED were in the positions 31 and 32 the 6 used. The spectra of the diodes after their radiation has passed through normal tap water are in 12 shown. The peaks of the UVED are clearly visible 60 and the white LED 61 and 62 , The peaks at 63 and 64 represent the 2nd order of the UV emission at 375 nm and the blue band at about 470 nm, which are also recorded by the spectrometer after passing through the liquid. They can also be used for evaluation. Now consider the structural changes in river water according to 13 , then a strong reduction of the short-wave bands and consequently the respective 2nd order of both bands is found. This does not require comparisons of the absolute values of the spectra, which for this reason were not recorded. The advantage arises from the fact that with only a slightly changed sensitivity of the spectrometer or the fiber optic connecting elements there is no need for absolute measurements. That is precisely the great advantage of the present invention.

Bezeichnet man die Intensitäten der Maxima der einzelnen Banden mit I1 bis I5 vom Kurzwelligen angefangen, dann erhält man für Leitungswasser bzw. für Flusswasser folgende Daten.

Figure 00140001
Figure 00150001
If one designates the intensities of the maxima of the individual bands with I 1 to I 5 starting from the short-wave, the following data are obtained for tap water or for river water.
Figure 00140001
Figure 00150001

Aus dem Vergleich der obigen Wertetabelle erkennt man, dass die Daten der 2. Ordnung für die UVED nahezu gleiche Werte liefern, dass aber der Wert beim Flusswasser infolge der Streuung im UV abgeschwächt gegenüber dem normalen Wasser ist. Bei der 2. Ordnung der blauen Bande tritt nur noch eine sehr geringe Abweichung in der 2. Ordnung gegenüber bei normalem Wasser auf, was auf einen schwachen Streueffekt im Blauen hindeutet, aber auch durch Messfehler teilweise bedingt sein kann. Wie oben also schon angedeutet, kann die jeweils 2. Ordnung der UVED und der blauen Bande der weißen LED helfen, Streueinflüsse sehr schnell zu erkennen. Im übrigen sind die Differenzen zwischen den unterschiedlichen Wässern in nahezu allen Verhältnissen relativ groß, so dass bei entsprechenden Eichungen eindeutige Schwellenwerte für Prozeßoptimierungen und Steuerungen sowie Überwachungen zur Verfügung stehen.From the comparison of the table of values above, it can be seen that the second-order data for the UVED provide almost the same values, but that the value for river water is weakened due to the scatter in the UV compared to normal water. With the 2nd order of the blue band there is only a very slight deviation in the 2nd order compared to normal water, which indicates a weak scattering effect in the blue, but can also be partly due to measurement errors. As already indicated above, the 2nd order of the UVED and the blue band of the white LED can help to quickly identify the effects of scattering. In addition, the differences between the different waters are relatively large in almost all circumstances, so that with appropriate calibrations, clear threshold values are available for process optimizations and controls as well as monitoring.

Literaturhinweisereferences

  • [1] S. Nakamura and G. Fasol: "The Blue Laser Diode", Springer-Verlag, Berlin 1997.[1] S. Nakamura and G. Fasol: "The Blue Laser Diode", Springer-Verlag, Berlin 1997.
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  • [3] DE 196 25 622 A1 , OT: 02.01.1998; U. Reeh et al.: "Lichtanstrahlendes Halbleiterbauelement mit Lumineszenzkonversionselement".[3] DE 196 25 622 A1 , OT: January 2, 1998; U. Reeh et al .: "Light-emitting semiconductor component with luminescence conversion element".
  • [4] DE 196 38 677 A1 , OT: 02.04.1998; P. Schlotter et al.: "Mischfarbiges Licht abstrahlendes Halbleiterbauelement mit Lumineszenzkonversionselement".[4] DE 196 38 677 A1 , OT: April 2, 1998; P. Schlotter et al .: "Mixed-color light-emitting semiconductor component with luminescence conversion element".
  • [5] J. Baur, P. Schlotter and J. Schneider: "White light emitting diode", Festkörperprobleme 37 (1998), 67-78.[5] J. Baur, P. Schlotter and J. Schneider: "White light emitting diode", solid state problems 37: 67-78 (1998).

Claims (18)

Verfahren zur in-situ-Bestimmung und Überwachung von Verunreinigungszuständen von Flüssigkeiten und/oder bzw. zusätzlich zur Kontrolle von Flüssigkeitspegeln mit weißen Lichtemitterdioden sowie in Ergänzung dazu mit infrarote bzw. ultraviolette Strahlung emittierenden Halbleiterinjektionsdioden und einem faseroptischen Spektrometer oder einem ähnlichen optoelektronischen Empfänger an einem Steig- bzw. Durchflussrohr oder an einem Bypass, deren Spektrenmodifikation durch die Flüssigkeit oder/und durch die bewusst oder unbewusst in die Flüssigkeit eingebrachte Verunreinigungen bei unterschiedlichen Positionen und Schaltzuständen ausgewertet werden.Methods for in-situ determination and monitoring of contamination states of liquids and / or or additionally to control liquid levels with white Light emitting diodes and in addition also with infrared or ultraviolet radiation emitting semiconductor injection diodes and a fiber optic spectrometer or the like optoelectronic receiver on a riser or flow tube or on a bypass whose Spectra modification by the liquid and / or by the consciously or unconsciously into the liquid introduced impurities in different positions and switching states be evaluated. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass je eine von einer weißen LED erzeugte Strahlung in den Bypass oder das Steig- bzw. Durchflussrohr um 90° versetzt eingestrahlt wird, um sowohl die Transmission als auch die Streuspektren in 90°-Richtung messen zu können.A method according to claim 1, characterized in that that one of a white LED generated radiation in the bypass or the riser or flow tube offset by 90 ° is irradiated to both the transmission and the scatter spectra in 90 ° direction to be able to measure. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass zum besseren Nachweis der wellenlängenabhängigen Strahlungsstreuung parallel zu der durch die weißen LED noch Strahlung je einer ultraviolette Diode (UVED) eingestrahlt wird, die dann zu einem noch eindeutigeren Streunachweis führt, da die Streuintensität schnell mit abnehmender Wellenlänge zunimmt.A method according to claim 2, characterized in that that for better detection of the wavelength-dependent radiation scatter in parallel to that by the white LED still radiated radiation from an ultraviolet diode (UVED) , which then leads to an even clearer scatter detection, because the scattering intensity quickly with decreasing wavelength increases. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass parallel zur durch die weiße LED erzeugten noch eine Strahlung je einer IRED eingestrahlt wird, damit die wellenlängenabhängigen Absorptions- und Streuprozesse infolge der Verunreinigungen eindeutiger interpretierbar werden.A method according to claim 2 or 3, characterized in that another parallel to the one generated by the white LED Radiation of an IRED is irradiated, so that the wavelength-dependent absorption and Scattering processes due to contamination can be interpreted more clearly become. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Flussspannung bei konstantem Flussstrom einer der weißen LED oder auch der anderen verwendeten IRED bzw. UVED überwacht und zueinander in Beziehung gesetzt sowie daraus eine Temperaturangabe gewonnen wird und Flussspannungsänderungen zur Korrektur der temperaturabhängigen Spektrenverschiebung über ein Regelglied herangezogen werden.A method according to claim 3 or 4, characterized in that the forward voltage at a constant flow current the white one LED or the other IRED or UVED used and related to each other and a temperature specification is obtained and changes in forward voltage to correct the temperature-dependent Spectra shift over a control element can be used. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass alternierend zu den Strahlungen der weißen LED je eine Strahlung einer UVED und einer IRED eingestrahlt wird, um sowohl Streu- als auch Absorptionsprozesse zur Kontrolle und Regelung bereit zu stellen.Method according to one of claims 3 to 5, characterized in that alternating with the radiations of the white LED one radiation each from a UVED and an IRED is irradiated in order to both scattering and absorption processes for control and regulation ready to provide. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die durch die Flüssigkeit gelaufene und mit ihren Verunreinigungen modifizierte Strahlung über einen Lichtwellenleiter oder Lichtleiter dem faseroptischen Kompaktspektrometer oder einem ähnlichen optoelektronischen Empfänger zur Auswertung zugeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that by the liquid Radiated and modified with their impurities over a Fiber optic or fiber optic the fiber optic compact spectrometer or similar optoelectronic receiver fed for evaluation becomes. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Flussspannungen für die LED, UVED und IRED gepulst werden, damit Strahlungsveränderungen aufgrund von Obertlächenveränderungen in den Messbehältern wahrgenommen werden können.A method according to claim 8, characterized in that that the forward voltages for the LED, UVED and IRED are pulsed so that radiation changes due to surface changes in the measuring containers can be perceived. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Flussspannungen der LED, UVED und IRED moduliert werden, um mit selektiv empfindlichen Verstärkern und/oder Empfängern unterschiedliche Gruppen von Emittern unterscheiden zu können.Method according to one of the preceding claims, characterized by modulating the forward voltages of the LED, UVED and IRED to be different with selectively sensitive amplifiers and / or receivers To be able to distinguish groups of emitters. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Peaks, die Peakverschiebungen, die integralen Intensitäten, die Peakverhältnisse zueinander, die veränderten Anstiege aller Flanken der Banden, die integralen Intensitäten des blauen Spektrums der Injektionslumineszenz und des Spektrums der Photolumineszenz der gaußförmig ergänzten Kurven und die Halbwertsbreiten aus dem Spektrometerdaten in situ mit einem schnellen PC ausgewertet werden, durch den außerdem eine Optimierung und/oder Steuerung des laufenden Prozesses erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the peaks, the peak shifts, the integral intensities, the peak ratios to each other, the changed Increases in all flanks of the bands, the integral intensities of the blue spectrum of the injection luminescence and the spectrum of the Photoluminescence of the Gaussian curves and the half widths from the spectrometer data in situ with a fast PC can be evaluated, which also optimizes and / or The ongoing process is controlled. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, dass die jeweilige 2. Ordnung jedes Spektrums zur Auswertung und insbesondere zum Intensitätsvergleich herangezogen wird.A method according to claim 12, characterized in that that the respective 2nd order of each spectrum for evaluation and especially for intensity comparison is used. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, dass die Spektren beispielsweise in Vorwärtsrichtung bei Veränderung des Flüssigkeitszustands (Veränderung der Verunreinigungen und ihrer Konzentrationen) durcheinander dividiert oder subtrahiert werden, so dass die Streu- und Absorptionsveränderungen besser sichtbar gemacht werden können.A method according to claim 13, characterized in that that the spectra change in the forward direction, for example of the fluid state (Change the impurities and their concentrations) divided by each other or subtracted so that the scatter and absorption changes better can be made visible. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens zwei weiße LED am Bypass oder Steig- bzw. Durchflussrohr zueinander um 90° versetzt angebracht sind.Device for performing the method according to a of claims 1 to 12, characterized in that at least two white LEDs on Bypass or riser or flow tube offset by 90 ° to each other are attached. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, dass parallel zu den weißen LED noch je eine ultraviolette Diode (UVED) angebracht ist.Device according to claim 13, characterized in that that parallel to the white ones LED is still an ultraviolet diode (UVED) attached. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet dadurch, dass parallel zu den weißen LED noch je eine IRED angebracht ist.Device according to claim 13 or 14, characterized in that an IRED is attached in parallel to the white LED is. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet dadurch, dass parallel zu den weißen LED alternierend je eine UVED und eine IRED angebracht sind.Device according to claim 14 or 15, characterized in that one alternates parallel to the white LED UVED and an IRED are attached. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Strahlungsemitter am Bypass oder am Steig- bzw. Durchflussrohr ein transparenter Bereich vorgesehen ist, der von einem geschwärzten Bereich am Behälter umgeben ist.Device according to one of claims 13 to 16, characterized in that that for each radiation emitter on the bypass or on the riser or flow tube a transparent area is provided by a blackened area on the container is surrounded. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Strahlungsemitter vom Messbehälter entfernt angeordnet und über Lichtwellenleiter aus Quarz, Glas oder Plastik (POF) mit den Einkoppelstelen am Messbehälter optisch gekoppelt ist.Device according to one of claims 13 to 16, characterized in that that at least some of the radiation emitters are removed from the measuring container arranged and over Optical fibers made of quartz, glass or plastic (POF) with the coupling steles on the measuring container is optically coupled.
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